采用IEEE 1451.2的智能传感器独立接口设计

采用IEEE 1451.2的智能传感器独立接口设计

引言

20世纪80～90年代，基于各种现场总线技术的智能传感器得到了迅速发展。由于现场总线种类很多，智能传感器接口纷繁复杂。20世纪90年代末，IEEE陆续推出了IEEE 1451协议族，提出了统一的传感器接口和传感器的自描述模型，解决了智能化传感器的兼容性、互换性和互操作性等问题。该协议已经用于压力监测、石油液位监测、蔬菜大棚环境监测等诸多领域。

1  IEEE 1451.2传感器接口规范简介

IEEE 1451协议族定义了一系列的标准智能传感器接口。IEEE 1451.2协议提出了一种数字化点到点的智能接口模块到网络适配器的有线传输接口方案。

IEEE 1451.2协议通过定义TII通信协议、时序和电气规范，确保可靠的数据传输。传感器独立接口是一个10线的接口，按功能可分为4组，如表1所列。

2  TII接口电路设计

图1给出了TII的接口电路图。左边是智能传感器接口模块（STIM），右边是支持热插拔功能的网络适配器（NCAP）。其中，GPIO是微处理器的通用输入输出引脚，SN74ALVC164245为双向5～3.3 V电平转换芯片。在笔者实验室设计的电力系统传感器网络中，上述两个模块分别采用了芯片AT89S53和AT91SAM9261。图中还给出了两者之间的数据传输和电源接线设计方案。

当向STIM写入通道命令和通道地址后，NCAP就要通过NTRIG信号触发命令所要求的动作。电力系统同步相量测量要求采样的时间精度高达1 μs[2]，为了保证动作执行的时间准确性，NTRIG信号同时接入STIM里的多个传感器或者执行器件。如图2所示，一个智能传感器接口模块里有多个传感器通道，每个通道采集一路信号。当网络应用适配器把一个传感器或者执行器通道打开时，AT89S53使能对应的传感器或者执行器的使能信号，这个使能信号和NTRIG信号相“与”后的输出使能相应的传感器或者执行器。这样NTRIG信号就可以准确地触发正确的通道动作。

2.2  基于UCC3918的热插拔控制电路

UCC3918的应用设计方案如图3所示，通过合理地选择2个电阻和2个电容的值，就可以达到有效抑制瞬时电流的目的。

其中，RIFAULT参考式(1)设置：

式中，ITRIP为故障电流门限值。RIMAX参考式⑵设置：R

为了验证上述设计的有效性，对TII接口做了实验验证，结果如表2所列。一组实验条件是没有热插拔控制电路，另一组实验条件是使用了UCC3918热插拔控制器。作为负载的智能传感器接口模块的正常工作电流是650 mA。具备热插拔功能的TII接口，其最大瞬时电流为2.0 A，约为正常工作电流的3倍。如果不设计热插拔控制电路，瞬时电流将近是正常电流的5倍。这可能会导致系统电源瞬时电压跌落或损坏器件。

图4是热插拔的电流波形对比图。上面是启动热插拔控制电路的电流波形，下面是未启动热插拔控制电路的电流波形。

结语

本文介绍了基于IEEE 1451.2协议的智能传感器独立接口部分的设计和实现，并通过实验验证了热插拔控制功能的有效性，所设计的接口已经应用于电力系统传感器网络中。